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氦气压气机轴端干气密封流动封严特性研究

张曌 杜秋晚 袁德文 仇子铖 张诚

张曌, 杜秋晚, 袁德文, 仇子铖, 张诚. 氦气压气机轴端干气密封流动封严特性研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 137-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0137
引用本文: 张曌, 杜秋晚, 袁德文, 仇子铖, 张诚. 氦气压气机轴端干气密封流动封严特性研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 137-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0137
Zhang Zhao, Du Qiuwan, Yuan Dewen, Qiu Zicheng, Zhang Cheng. Investigation on the Flow Characteristics and Sealing Performance of Dry Gas Seal at the Shaft End of Helium Compressor[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 137-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0137
Citation: Zhang Zhao, Du Qiuwan, Yuan Dewen, Qiu Zicheng, Zhang Cheng. Investigation on the Flow Characteristics and Sealing Performance of Dry Gas Seal at the Shaft End of Helium Compressor[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 137-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0137

氦气压气机轴端干气密封流动封严特性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0137
基金项目: 四川省自然科学基金(2025ZNSFSC1244);中国博士后科学基金(2024M764273);国家资助博士后研究人员计划(GZB20240988)
详细信息
    作者简介:

    张 曌(1992—),女,博士研究生,助理研究员,现主要从事先进核能技术研究,E-mail: 13259978235@163.com

    通讯作者:

    杜秋晚,E-mail: qwdu1113@163.com

  • 中图分类号: TL334;TH117

Investigation on the Flow Characteristics and Sealing Performance of Dry Gas Seal at the Shaft End of Helium Compressor

  • 摘要: 氦气压气机是高温气冷堆布雷顿循环的核心设备,轴端位置处氦气泄漏行为是制约其效率提升的关键问题,使用无磨损、泄漏低、非接触的干气密封是解决该问题的有效措施。为探究氦气干气密封的流动封严特性,针对螺旋槽氦气干气密封,考虑实际气体效应的影响,采用数值方法讨论了螺旋角、槽深、气膜厚度等参数对气膜压力、开启力、泄漏量的影响,进一步以CO2和N2作为对比,在不同进气压力和转速工况下对比了不同工质的流动封严特性。结果表明,开启力和泄漏量与螺旋角、槽深、进气压力均呈正相关。随气膜厚度增大,开启力降低而泄漏量增大。随转速增大,开启力增大,氦气泄漏量降低,而N2和CO2泄漏量增大。同一工况条件下,3种工质干气密封的开启力和泄漏量的排序均为:He<N2<CO2。本文研究结果可为氦气压气机轴端干气密封的设计优化提供参考。

     

  • 图  1  螺旋槽干气密封几何结构示意图

    r—半径;ro—密封环外径;ri—密封环内径;rg—螺旋槽根径;hg—槽深;ho—气膜厚度;α—螺旋角;θ—螺旋线与水平方向夹角。

    Figure  1.  Geometric Structure of Spiral Groove Dry Gas Seal

    图  2  干气密封气膜流体计算域网格和边界条件示意图

    Figure  2.  Grid Details and Boundary Conditions of Dry Gas Seal Fluid Computational Domain

    图  3  干气密封网格无关性验证结果

    Figure  3.  Grid Independence Validation Results

    图  4  干气密封数值验证结果

    Figure  4.  Numerical Validation of Dry Gas Seal

    图  5  不同气膜厚度下干气密封气膜压力分布云图

    ω—角速度。

    Figure  5.  Pressure Distribution Contours of Dry Gas Seal Film under Different Film Thicknesses

    图  6  不同气膜厚度下开启力和泄漏量的变化

    Figure  6.  Variation of Open Force and Leakage under Different Film Thicknesses

    图  7  不同螺旋角下干气密封气膜压力分布云图

    Figure  7.  Pressure Distribution Contours of Dry Gas Seal Film under Different Spiral Angles

    图  8  不同槽深下干气密封气膜压力分布云图

    Figure  8.  Pressure Distribution Contours of Dry Gas Seal Film under Different Groove Depths

    图  9  不同槽深下开启力和泄漏量的变化

    Figure  9.  Variation of Open Force and Leakage under Different Groove Depths

    图  10  不同进口压力下干气密封气膜压力分布云图

    Pi—进口压力

    Figure  10.  Pressure Distribution Contours of Dry Gas Seal Film under Different Inlet Pressures

    图  11  不同进口压力下开启力和泄漏量的变化

    Figure  11.  Variation of Open Force and Leakage under Different Inlet Pressures

    图  12  不同工质下干气密封气膜压力分布云图

    Figure  12.  Pressure Distribution Contours of Dry Gas Seal Film under Different Working Fluids

    图  13  不同转速下干气密封气膜压力分布云图

    n—转速。

    Figure  13.  Pressure Distribution Contours of Dry Gas Seal Film under Different Rotation Speeds

    图  14  不同转速下开启力和泄漏量的变化

    Figure  14.  Variation of Open Force and Leakage under Different Rotation Speeds

    表  1  螺旋槽干气密封几何参数

    Table  1.   Geometric Parameters of Spiral Groove Dry Gas Seal 

    参数数值
    ro/mm77.78
    ri/mm58.42
    rg/mm69
    hg/μm4、5、6、7、8
    α/(°)15、20、25
    槽台宽比(β1
    螺旋槽数目(N12
    ho/μm4、5、6、7、8
    下载: 导出CSV

    表  2  干气密封运行参数

    Table  2.   Operating Parameters of Dry Gas Seal

    参数数值
    进口压力/MPa1.6、1.8、2.0、2.2、2.4
    进口温度/℃60
    出口压力/MPa0.1
    转速/(r·min−1)16000、18000、20000、22000、24000
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-02-19
  • 修回日期:  2025-03-17
  • 刊出日期:  2025-07-09

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